风力发电基础理论
第二章-风力机的基本理论及工作原理
4）风杯式阻力差风力机 两个半球面杯对称安装在转轴两 侧，球面方向相反。一个凸面向 风，另一个凹面向风，显然在相 同风力下后者对风的阻力比前者 大。
叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片 截面为流线型的对称翼型，以相反方 向安装在转轴两侧。
17
达里厄风力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到 叶尖速比为3.5以上才可能正常运 转，在尖速比为4-6可获较高的功 率输出。下图为达里厄风力机的功 率系数与叶尖速比的关系曲线。
达里厄风力机对叶片截面 形状（翼型）选择与外表光洁 度要求比较高。达里厄风力机 不能单靠风力自起动，必须依 靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时才能依靠升力运转。 典型的达里厄风力机翼片不是 直的，而是弯成弧形，两翼片 合成一个φ形。
关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
10
实度比
▪ 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积） 之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。
▪ 左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积， B为叶片个数，R为风轮半径，σ为实度比，
▪ σ=BS/πR2
11
▪ 右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长， B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ 为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径 与叶片长度的乘积，
32
风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
风力发电机组基础理论
西方国家意识到对化石能源的依赖性太强，各国政府开始重视其他替代能 源特别是可再生能源（环保压力）。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
蓬勃发展
能源危机后， 美国、丹麦、 瑞典、德国 下大决心开 发风能。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
风车
辗磨谷物、灌溉
？
风力发电机
发电
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程 第一次尝试
丹麦：1891年，Poul La Cour。
一战导致的石油价格的上涨， 推动了风机技术的迅速发展， 到1918年共有120台风力发电机 投入运行（功率10～35kW、风 轮直径最大达20m）。
1.3 风机的类型 3）变桨定速型（主动失速）
停机时刀尖朝前。
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 越来越庞大
但并不是越大越好，还要考虑当地风况和机组成本等因素
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 陆上——海上
要用较高的塔架以获取更好的风况 一般不大于3MW
风况较好，一般适用于3MW以上 风机，以节约基础成本
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1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
它是利用风能旋转的、最简单的捕风装置
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1）历史记载的最早的风车出现在公元644年，在现在 的阿富汗一带，为垂直轴，用于辗磨谷物。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
2）中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。
风力机的基本参数与理论.
风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。
按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
风电基本知识
风电基本知识包括以下几个方面：
•风力发电机：风力发电机是风电行业的核心设备，它将风的动能转化为电能，通常由叶片、机舱、传动系统、发电机等组成。
•风速和空气密度：风力发电的效率取决于风速和空气密度，在风速较低的情况下，风力发电的效率会降低。
•太阳辐射：风力发电主要依赖于太阳辐射，太阳能辐射量越大，风力发电的效率也会相应提高。
•系统效率：风电场的系统效率是指风力发电机输出的有效功率与输入的有效功率之比，系统效率取决于系统中各个组件的匹
配情况。
•并网问题：风力发电机需要与电网连接才能产生电能，并网问题包括电网接纳能力、电压稳定性等。
•储能技术：为了满足日益增长的电力需求，风力发电需要与储能技术相结合，如储能电池、储能器等。
•环境影响：风力发电对环境产生的影响包括减少温室气体排放、对气候变化的缓解等。
风力发电基础课件
弦长的夹角
运动旋转方向
u R 2Rn
dL气流升力
相对
速度
dL
1 2
Cl w2dS
dD
1 2
Cd
w 2dS
dF气流w产生的气动力
驱动功率dPw= dT
风输入的总气动功率:P=vΣFa 旋转轴得到的功率:Pu=Tω
风轮效率η=Pu/P
叶片的几何参数
3. 旋转叶片的气动力(叶素分析)
v v1 v2 2
，
贝兹理
最大理想功率为：Pmax
8 27
Sv13
论的极 限值
风力机的理论最大效率：max
Pmax E
(8 / 27)Sv13
1 2
Sv13
16 27
0.593
风力发电机从自然风中所能索取的能量是有限的，其 功率损失部分为留在尾流中的旋转动能。
风力发电机基础理论
3.风力机的主要特性系数
对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两 个主要的涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。有限叶片数由 于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所 下降。
1) 中心涡，集中在转轴上； 2) 每个叶片的边界涡； 3) 每个叶片尖部形成的螺旋涡。
涡流理论
叶片静止时，据赫姆霍兹定理，叶片附着涡和后缘尾涡 组成马蹄涡系。简化后，将叶片分成无限多沿展向宽度很小 的微段。
叶片的几何参数
2.升力和阻力的变化曲线
0.8
Cl •升力系数与阻力系数是随攻角变化的
0.6
0.4
失速点
0.2
Cd
i
i -30o -20o -10o 0o 10o 20o
-0.2 Cl min
风力发电理论及整机基础知识演示文档
优选风力发电理论及整机基础 知识
课程内容
整机机械传动 叶轮 齿轮箱 联轴器制动器 偏航系统 塔筒
机器的组成？
辅助系统，例如润滑、显示、照明等
原动机部分
传动部分
执行部分
控制系统
第一篇 整机机械传动
一.风力发电理论原理
风能
机械 能
变压器升压 后输送至电
网
电能
叶轮吸收风能 发电机将机械 转化为机械能 能转化为电能
α：冲角
δ：翼型厚度
f ：翼型的弯度
叶片受力分析
• C点：压力中心点 • R：叶片翼型剖面受到的合力 • Ry：垂直于来流方向的分力 • Rx：平行于来流方向的分力
升阻力系数
Cl：升力系数
Cd：阻力系数
叶片升阻力系数与冲角的关系
叶片的最大升阻比
斜率=升力与阻力之比 最大升阻比cotε= Cl/ Cd
上半圈时，叶片离心 力和轴向推力的合力K和 叶片轴向重合
由于推力Su＜ S0 ，离 心力Fu >F0 ，所以下半圈 时，合力K并不停在叶片 轴向上。
轮毂受力情况
铰链式轮毂 常用于两叶片叶轮 半固定式轮毂，铰链轴与叶片长度方向及叶轮轴两两垂直
叶片系数与阻力系数的关系
风电机组对叶片的要求
• 比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经 受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；
• 叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲 线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；
• 耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好； • 发电成本较低，维护费用最低。
叶片技术发展——材料
机型环境温度分类： 常温型：生存温度：-25℃~+45℃ 运行温度：-15℃~+45℃ 低温型：生存温度：-45℃~+45℃ 运行温度：-30℃~+45℃
风力发电技术概论
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电机组与变电所连接图
一台变压器多台风机
多台变压器多台风机
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
三、风力发电运行方式
3. 风电场接入电网的方式 风电场与电力系统实际连接图
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
二、风力发电原理
1. 风力发电机组：风力机+发电机 1）风力机
风速——功率特性曲线
1.0 Pmax PN
输出 0.8 功率 0.6
(kw) 0.4
0.2 vin
0
5
vN 10 15
当风速在额定风速以下时，输 出功率不超过额定功率时，属 于正常调节范围；当风速高于 额定风速时，机械调速装置的 存在将风力机的输出功率限制 在所允许的最大功率以内
适用范围：适用于国家电网公司经营区域内通过110（66） 千伏及以上电压等级与电网连接的新建或扩建风电场。
总的感受：[09]版比[06]版更加严格，对风电场开发商要 求更高
四、国网风电场接入电网技术规定
相同点
电网接纳风电能力以及无功调节 风电场运行电压以及电压调节
风电场运行频率及电能质量
风电场通信和信号 风电场接入电网检测
最小值对应一个确定的攻 角。
二、风力发电原理
风能转换成电能的过程
风
风(动)能 风机
机械能 发电机
风力发电系统的构成
监测显示装置
储能装置
电能
风能
能量转换装置 (风力发电机组)
电力用户
风力机基础理论
• 四、偏航系统
• 由于风向是不断变化的，为了使风轮旋转 平面始终正对风向，提高风能利用率，就 需要一套对风装置，即偏航系统。
• 五、塔架
• 由于地面的剪切效应，在地面附近的风速 是很小的，越高风速越大，所以需要一个 塔架将风力机支撑到一定高度，塔架不但 承受着整个风力发电机组的重量，还承受 着很大的弯矩，所以塔架也需要进行特别 设计。
T S(Pa Pb )
式中∶
Pa ——风轮前压力，Pa或kPa；
Pb ——风轮后压力，Pa或kPa。
• 可得
V V1 V2 2
式中∶
V ——风经过叶片时的速度，m/s。
• 令 V V1(1 a)
•
•则
V2 V1(1 2a)
•
式中∶ a
——轴向干扰因子，
a
1 2
(1
• 风轮是风力发电机最重要的部件之一。风力发电 机就是依靠风轮把风所具有的动能有效地转化为 机械能并加以利用的。风轮使空气运动的速度减 慢，在空气动力的作用下风轮绕轴旋转并将风能 转变为机械能。水平轴风力发电机的风轮通常由 几何形状一样的两个以上叶片组成。叶片又可分 为变桨距叶片和固定桨距叶片。从叶片结构上又 可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、 钢制叶片、玻璃钢叶片、复合材料叶片等。
• 二、增速齿轮箱
• 当风力机驱动发电机时，通常发电机的额 定转速要比风力发电机的风轮转速高很多， 这时风轮必须通过增速机构来带动发电机。 但也有些风力发电机不包括变速齿轮箱。
• 三、发电机
• 因为风速是不稳定的，所以发电机常处于 负载不稳定状态，极端时发电机严重过载， 对于并网型风力发电机还要处于频繁的投、 切(并网和脱网)切换过程中，所以对于风力 发电机用发电机还要有一些特殊要求。因 感应发电机结构紧凑，价格便宜，并网方 法简单，并网运行稳定，在风力发电机中 得到最为广泛的应用。
风力发电基础理论
风力发电基础理论风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。
在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。
发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。
大力发展风电,这已经成为世界上的共识。
风力发电基础理论风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。
在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。
发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。
大力发展风电,这已经成为世界上的共识。
第一章风与风力资源概述一､风的产生与特性–产生:风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动;大气压差是风产生的根本原因。
特性:周期性､多样性､复杂性。
风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。
在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。
发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。
大力发展风电,这已经成为世界上的共识。
二､风能的利用按照不同的需要,风能可以被转化成其他不同形式的能量,如机械能､电能､热能等,以实现提水灌溉､发电､供热､风帆助航等功能。
21世纪风能利用的主要领域是风力发电。
风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。
在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。
发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。
大力发展风电,这已经成为世界上的共识。
三､风能开发的意义风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。
在所有新能源､可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟､最具规模开发和商业发展前景的方式。
发展风电对于改善能源结构､保护生态环境､保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。
第一篇：风电基础技术知识
第一篇：风电基础技术知识第一章风能资源概述第一节：风向与风速风是大气的运动。
气象学上一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动称为风大气的运动本质上是由太阳热辐射引起的。
因此，风能是太阳能的一种表现形式。
地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。
这就导致了空气的流动——风。
全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。
风向与风速是确定风况的两个重要参数一、风向风向——来风的方向。
通常说的西北风、南风等即表明的就是风向。
陆地上的风向一般用16个方位观测。
即以正北为零度，顺时针每转过22.5°为一个方位。
风向的方位图图示如下。
二、风速风速——风流动的速度，用空气在单位时间内流经的距离表示，单位：m/s或km/h。
风速是表示气流强度和风能的一个重要物理量。
风速和风向都是不断变化的。
瞬时风速——任意时刻风的速度。
——具有随机性因而不可控制。
——测量时选用极短的采样间隔，如<1s。
平均风速——某一时间段内各瞬时风速的平均值。
如日平均风速、月平均风速等。
1、风速的周期性变化风速的日变化：一天之中，风速的大小是不同的：——地面（或海拔较低处）一般是白天风速高，夜间风速较低。
——高空（或海拔较高处）则相反，夜间风强，白天风弱。
其逆转的临界高度约为100~150m。
风速的季节变化：一年之中，风的速度也有变化。
在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。
2、影响风速的主要因素垂直高度：由于风与地表面摩擦的结果，越往高处风速越高。
定量关系常用实验式表示：V=V0(H/H0)nV—高度H处的风速。
V0—高度H0处的风速，测得。
n—地表摩擦系数，或地表面粗糙度。
取值范围：0.1（光滑）~0.4（粗糙）。
地理位置海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大得多。
障碍物风流经障碍物后，将产生不规则的涡流，使风速降低。
但随着远离物体，这种涡流逐渐消失。
_风力发电基础理论
1.地面状况对风速的影响可以分为地面粗糙度影响，障碍物影响和地形影响。
2.并网型风力发电机组可分为机舱、风轮、塔架和基础几个部分。
3.变转速发电机需要通过交—直—交变流装置与电网频率保持同步。
4.锥角的作用是在风轮运行状态下减少离心力引起的叶片弯曲和防止叶尖和塔架碰撞的机会。
5.风轮实度是指叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值。
6.叶片的固有频率直接影响机组的动态特性，激振频率应避开叶片的共振区，以降低叶片的7.动应力，提高使用寿命。
8.风轮、塔架及风力发电机组可作为一个弹性体来看待。
弹性系统可有驱动系统、机舱系统及变距系统和偏航系统组成。
9.叶片防雷击导线截面积为50mm²10.塔架结构有筒形和桁架两种形式。
11当风力发电机组运行时，机组除承受自身的重量Q外，还要承受由风轮产生的正压力P、.风载荷q以及机组调向时所产生的扭矩Mn等载荷的作用。
13.传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴器。
14.主轴的作用在于将转子叶片上的旋转扭矩传递给齿轮箱。
15主轴与齿轮箱的连接大多采用涨紧式联轴器。
16.齿轮箱高速轴通过柔性连接与发电机轴连接。
17.偏航轴承分为滑动轴型和滚动型。
18.液压系统的主要功能是刹车和变桨距控制。
19.制动系统主要分为空气制动和机械制动。
20.发电机通过四个橡胶减震器与机舱底盘连接。
21.控制系统包括控制和检测两部分。
22风力发机组最主要参数是风轮直径和额定功率。
23.轮系可以分为定轴轮系和周转轮系。
24.扭揽保护装置一般由控制开关和触点机构组成。
25.比例控制技术是根据输入电压值的大小，通过放大器，将该输入电压信号转换成相应的电流信号。
26.变距系统的节距控制是通过比例阀来实现的。
27.紧急顺桨速度9°/s28..润滑剂可分为：润滑油、润滑脂、固体润滑剂。
29.变频器最大容量为发电机额定容量的1/4——1/330.风电设备的控制系统包括测量、中心控制器和执行机构。
风电的基础知识
风电的基础知识1.风力发电机的技术原理三相三相不控桥整流蓄电池(1)发电机为三相(即三根线)，输出三相应该是相互导通的,两根引出线的电阻是相同的,任意两根线一打是会出现火花。
(2)12V蓄电池充满电之后,电压会上升，一般蓄电认为电池充满在13.8V~14.5V之间。
用风力充电,蓄电池电压都会高,1.1V~1.3V为额定电压，多种蓄电池工作状态选择是不一样的。
10.2V切入逆变器。
发电机频率的监控,控制器增加监控点,电压信号选择保护。
风能-机械能-电能-用电器2.风力发电机实际上是一个由风机叶片、发电机及尾舵组成的机组。
(1)最理想的叶片3.叶片扫风面积越大，接受风能则越大。
叶片侧面叶型的不同设计，可提高转速，减小阻力。
1.风力发电机的技术原理三相三相不控桥整流蓄电池nbsp; (1)发电机为三相(即三根线)，输出三相应该是相互导通的,两根引出线的电阻是相同的,任意两根线一打是会出现火花。
(2)12V蓄电池充满电之后,电压会上升，一般蓄电认为电池充满在13.8V~14.5V 之间。
用风力充电,蓄电池电压都会高,1.1V~1.3V为额定电压，多种蓄电池工作状态选择是不一样的。
10.2V切入逆变器。
发电机频率的监控,控制器增加监控点,电压信号选择保护。
风能-机械能-电能-用电器2.风力发电机实际上是一个由风机叶片、发电机及尾舵组成的机组。
(1)最理想的叶片叶片扫风面积越大，接受风能则越大。
叶片侧面叶型的不同设计，可提高转速，减小阻力。
叶片理论极限值CP(max)=0.593P∝SρO3 * CP(目前,大风机叶片实际做出来最理想的CP值为0.48,小风机为0.48~0.36,而HY 系列的叶片CP值可做到0.42。
) （2）高效能的发电机发电机效率：大型发电机 0.95小型发电机 0.6~0.5HY系列的发电机 0.74 整机转化效率：整机转化效率 = 气动效率(CP值) * 发电机效率即HY系列发电机的整机转化效率为：0.42*0.74=0.28~0.3以，远高于国标规定的效率值为0.24。
风力机的基本参数与理论
风力机的基本参数与理论风力发电机风轮系统2.1.1 风力机空气动力学的基本概念1、风力机空气动力学的几何定义（1）翼型的几何参数翼型翼型本是来自航空动力学的名词，是机翼剖面的形状，风力机的叶片都是采用机翼或类似机翼的翼型，与翼型上表面和下表面距离相等的曲线称为中弧线。
下面是翼型的几何参数图1）前缘、后缘翼型中弧线的最前点称为翼型的前缘，最后点称为翼型的后缘。
2）弦线、弦长连接前缘与后缘的直线称为弦线；其长度称为弦长，用c表示。
弦长是很重要的数据，翼型上的所有尺寸数据都是弦长的相对值。
3）最大弯度、最大弯度位置中弧线在y坐标最大值称为最大弯度，用f表示，简称弯度；最大弯度点的x坐标称为最大弯度位置，用x f表示。
4）最大厚度、最大厚度位置上下翼面在y坐标上的最大距离称为翼型的最大厚度，简称厚度，用t表示；最大厚度点的x坐标称为最大厚度位置，用x t表示。
5）前缘半径翼型前缘为一圆弧，该圆弧半径称为前缘半径，用r1表示。
6）后缘角翼型后缘上下两弧线切线的夹角称为后缘角，用τ表示。
7）中弧线翼型内切圆圆心的连线。
对称翼型的中弧线与翼弦重合。
8）上翼面凸出的翼型表面。
9）下翼面平缓的翼型表面。
（2）风轮的几何参数1）风力发电机的扫风面积风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积是风力机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，下图是一个三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
下图是一个四叶片的H型升力垂直轴风力发电机的扫掠面积示意图。
根据前面两表可由所需发电功率估算出风力机所需的扫风面积，例如200W的升力型垂直轴风力发电机工作风速为6m/s，全效率按25%计算所需扫风面积约为6.2m2,如果工作风速为10m/s则所需扫风面积约为1.4m2即可；例如10kW的升力型垂直轴风力发电机工作风速为10m/s，全效率按30%计算所需扫风面积约为56m2,如果工作风速为13m/s则所需扫风面积约为25m2即可。
按高风速设计的风力机体积小成本相对低些，但必须用在高风速环境，例如把一台设计风速为10m/s的风力机放在风速为6m/s的环境工作，其功率会下降80%；按风速6m/s设计的风力机风轮会很大，虽在6m/s时运行很好，但遇大风易超速损坏电机，为抗强风时需增加结构强度使成本大大增加。
风力发电基础理论——风力发电综述2
目前，全球风电场中安装的大型风电机组，绝
大多数是水平轴、三叶片、上风向、锥管式塔架、
变桨变速型风电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ组，其他形式的机组较少见到。
风电界在总的层面上对风电技术的认识不再有大的
分歧，集中力量向大型化、高质量和高效率方面发
展。
1.3.1单机容量持续增大
1
最近几年，各种大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用 。1982年，风电机组的平均功率为55kW，风轮直径为15m， 轮轂高度25m；1992年，风电机组发展到300kWW，风轮直径 30m，轮毂中心高度40m；1997年以后， 600k W机组成为主 流机型，轮直径45m，轮毂中心高度6om。 1999年以后，大量单机容量在1000kW成1000kw 以上 的机型进入了风电市场，当年风电市场上，兆瓦机组市 场占有率为27．4％，2002年开发出2500kW风电机组 ，风轮直径为80m，轮毂中心高度达100m。
1.3.2 从定桨距（失速型）到变浆距
失速型调节方式和变桨距调节方式曾经是风电 机组的两种主要功率调节方式。采用失速型调节 方式的风电机组的叶片与轮轂固定连接，不能绕 其轴线转动，功率调节通过叶的自身的失速特性 实现。这种方式有结构简单、故障率低的优点， 一度在风电机组中很受欢迎，得到普遍采用。其 缺点主要是风电机组的性能受叶片失速性能的限 制，额定风速较高，在风速超过额定值时发电功 率有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂， 重量大，引起风轮转动惯量大，在研制大型风电 机组时更为突出。
国内外风电设备制造商目前开发的大型风电机组
1 机头重量
在大型兆瓦级机组研发过程中出现了不同 的技术路线，机组结构不同，设备重量也迴 异。欧洲 Repower的5M、德国 Enercon公 司的E-112和Bard公词的VM属于偏重的机型 ，5M和VM的机头（机舱加风轮）重量为 415～420t，而E-112的机头重量超过500t。 当然，这3个机型是作为5MW以上系列的基 础机型研发的，有较多安全设计裕度，在完 成测试后用于更大风轮和容量升级。
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B D
风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部 分可以解释为留在尾流中的旋转动。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电 机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数
• 2．叶尖速比λ • 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆 周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。 • (2-14)
• 液压系统的压力控制和温度控制 ；
• 变速与变桨距调节：跟踪最佳运行曲线，最大捕获风 能； • 有功功率和无功功率的解藕控制：提高输出电能品质。 • 故障检测与复位：人工手动复位和自动复位； • 偏航与解缆：当风向改变时执行自动偏航；人工偏航 包括：顶部机舱手动偏航；塔底操作面板手动偏航； 远程偏航。当电缆缠绕时执行解缆操作。 • 脱网：当机组运行自身和外部条件不满足时，机组执 行脱网程序。
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压 力
3
273 p 0.378 ps 1.2931 T 101325
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压力
• 四、风力机的特性系数 • • 1．风能利用系数CP • 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利 用率系数CP表示，由式 (2-11）知 P • (2-13) CP 1 v 3 S
电气图 • 功率回路:
双馈电机+多级增速箱的变速风电机组的特点
• 双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率 变换器（一般为双PWM交直交型变换器）连接到电 网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并 且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。 • 该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出 频率和转子机械频率的关系，通过改变转子的励 磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最 大风能捕获。 • 对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的 有功和无功的解偶控制，可以为电网输出无功， 保证了输出电能质量。
三、风能开发的意义
• 风能是清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。 在所有新能源、可再生能源利用技术中，风力发电 是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方 式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、 保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着 极其重要的意义。大力发展风电，这已经成为世界 上的共识。
Fl Kp F
A
+ a) v i b)
Fd B
三、升力和阻力系数的变化曲线
• Cl和Cd随攻角的变化， 研究升力系数的变化， 它由直线和曲线两部分 组成。与Clmax对应的 iM点称为失速点，超过 失速点后，升力系数下 降，阻力系数迅速增加。 负攻角时，Cl也呈曲线 形，Cl通过一最低点 Clmin。
• 二、作用在运动桨叶上的气动力 • 按照伯努利理论，桨叶上表面的气流速度较高， 下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕桨叶的 流动可看成由两个不同的流动组合而成：一个是将 翼型置于均匀流场中时围绕桨叶的零升力流动，另 一个是空气环绕桨叶表面的流动。而桨叶升力则由 于在桨叶表面上存在一速度环量如图2-3所示。
2Rn R v v
• • • • n—风轮的转速，单位为r/s ； ω—风轮角频率，单位为rad/； R—风轮半径，单位为m； v—上游风速，单位为m/s 。
第三章 桨叶的几何参数和空气动力特性
• 一、翼型的几何参数和气流角
C
θ0 B l
f
A
θ
i
• a) b) • 图2-2翼型的几何参数和气流角 • B点——后缘（Trailing edge)； • A点——前缘（Leading edge)，它是距后缘最远的点； • l ——翼型的弦长，是两端点A, B连线方向上翼型的最大长度； • C ——最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度； • f ——翼型中线最大弯 • I ——攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角； • θ0——零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角； • θ——升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角 • i=θ+ θ0 (2-15) • 此处θ0是负值，θ和i是正值。
四、风的目测和风力等级
风级 0 名称 无风 相应风速(m/s) 0~0.2 表现 零级无风炊烟上
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
软风
轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
0.3~1.5
1.6~3.5 3.6~5.4 5.5~7.9 8~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 >32.6
变速恒频风机的优缺点如下： 优点：1.机电转换效率高 缺点：1.电机结构较为复杂； 2.风轮转速和电机控 制较难； 3.增加一套电子变流 设施。
•
一、风电机切入、切出风速定义
– 事实上，风力机不能获得全部理论上的能量，他受到 其他因素的限制。 – 当风速由零逐渐增加时，仅仅在某一风速——Vm开始 工作风速（Cut-in speed）风力机才开始提供功率；当 风速继续增加到某一确定值——VN额定风速（Rated wind speed）时，风机提供正常功率，超过该值时， 利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速继续 增加达到某一值——VM切断风速（Furling speed or Cut-out speed），处于安全考虑，风力机停止运转 。 – 我国一般规定以3-20m/s的风速称为“有效风速”
• 为了表示压力沿表面的变化，可作桨叶表面的垂线， 用垂线的长度KP表示各部分压力的大小 p p0 KP • 1 2 v (2-16) 2 • 式中 p——桨叶表面上的静压； • ρ、p0 、v——无限远处的来流条件。 • 连接各垂直线段长度KP的端点，得到图2-4a，其中上 表面K.8 0.6 0.4 0.2 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Cd Cl
i /(0)_
第五章变桨变速型风电机组
• 变速恒频技术解决机电转换效率低的问题。变速 恒频技术就是将风机的转速做成可变的，并采用 双馈式发电机，通过控制使发电机在任何转速下 都始终工作在最佳状态，机电转换效率达到最高， 输出功率最大，而频率不变。变速恒频风机的特 性曲线
六、风电机组的基本运行过程
• 开机自检：对于第一次上电需要该过程。机组自动检 测电网、风况、环境温度、机组本身状态（如：各种 温度、压力油位、控制电源、安全链、维护开关位置 等在正常状态）； • 待机：自检通过后，开始执行“制动解除”即松闸和 “机舱对风”（当风速达到对风风速〉2.5m/s)。如 风速低于启动风速3m/s，则机组处于待机状态； • 启动与并网：风轮在风的升力作用下开始旋转，当转 速达到并网转速时，执行并网过程； • 启动方式：自动启动；顶部机舱启动；塔底操作面板 启动；远程启动（在中央监控室）。
变速风电机组的总体结构（多级齿轮箱和 双馈电机）
690VAC电网
低速轴 叶轮
齿轮箱
高速轴
双 馈 电 机
转子侧 变换器 电网侧 变换器
变桨距机构
参数监测
过压保护
主控制器
变频控制器
中央监控系统
电网侧逆变器和转子侧逆变器
• 连续的总线由一排用以保持稳定直流电压的电容器组成,与之平行的还 有一排电阻(高阻抗),这种电阻用以给总线缓慢的放电.完全的放电过程 (800Vdc的工作电压)大约持续10分钟. • 直流充电分两步: • 步骤一:”预充电” 我们用三个电阻来进行预充电,当直流电压超过 450V时跳转到第二步 • 步骤二:”充电”:当直流电压高于450V时,CCU脱开电阻的连接并连 接到电网侧的逆变器直到充电到800Vdc • 电网侧的逆变器由一个单一的SKIIP模块组成，由三个IGBT’s组成， 将交流信号变换为直流信号. • 斩波器由一个串联放电电阻的IGBT组成; IGBT信号的触发导致全部 或部分总线电压的释放,它们的作用就是防止在总线上发生直流电涌. • 转子变频器由三个SKIIP模块组成,每个模块负责一相,每相包含4个 IGBT,通常它们将直流转换为交流以控制转子的频率,从而得到同步转 速;转子侧的模块可以作为直流逆变器工作,高转速时转子同样可以发 电. • Crowbar 是由一组带有晶闸管的平行二极管组成的保护元件,晶闸管 的触发将会短接转子各相,以阻止逆变器过电流,它的动作可将风机处 于完全停止的状态.
2
• 式中 P—风力机实际获得的轴功率，单位为W； • ρ —空气密度，单位为kg/m3 ； • S —风轮的扫风面积，单位为m2 ; • v —上游风速，单位为m/s 。
三、自由流场中的风轮 风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年建立的。 贝兹理论中的假设： ——叶轮是理想的； ——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； ——气流始终沿着叶轮轴线； ——叶轮处在单元流管模型中，如图； ——流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V2。
二、空气密度的确定
• 在海拔500m以下，取标准大气压下15℃的空气密度1.225进行计算。 • 超过500m时，需要计及空气密度随高度的变化，可采用下式计算：
1.225(1 0.022557Z ) kg / m
4.256
• 上式适用于海拔高度Z小于11Km的情况 • 如果需要进行精确计算，则有：
一级软风烟稍斜
二级轻风树叶响 三级微风树枝晃 四级和风灰尘起 五级清风水起波 六级强风大树摇 七级疾风步难行 八级大风树枝折 九级烈风烟囱毁 十级狂风树根拔 十一级暴风陆罕见 十二级飓风浪涛天
第二章 风力机的能量转换过程
• 一、风能的计算
•
气流的动能为：
1 E Sv 3 2
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3 ；V 的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位 是W。 从风能公式可以看出，风能的大小与 气流密度和通过的面积成正比，与气流 速度的立方成正比。其中ρ和v随地理位 置、海拔、地形等因素而变